淺談對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的幾點認(rèn)識

馮嘯虎廖建英

（1.廣西壯族自治區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計院廣西　南寧市　5300222.廣西建筑工程質(zhì)量檢測中心　廣西　南寧市　530000）

淺談對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的幾點認(rèn)識

馮嘯虎1廖建英2

（1.廣西壯族自治區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計院廣西南寧市5300222.廣西建筑工程質(zhì)量檢測中心廣西南寧市530000）

就我國地理位置來看，屬于多地震的國家，因此在高層建筑過程中必須充分考慮建筑物抗震需要。因為地震具備不確定性與復(fù)雜性，所以在地震規(guī)律性方面比較難以把握，這就需要高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中合理應(yīng)用抗震的概念設(shè)計。本文就抗震概念設(shè)計的特點進行分析，探討抗震概念設(shè)計中的有效措施，使得高層建筑不會因為地震而受到嚴(yán)重毀壞。

高層建筑結(jié)構(gòu)；抗震概念；設(shè)計

1　前言

自從改革開放來我國綜合國力有了顯著提高，相關(guān)建筑業(yè)相繼取得較好的成績，并成為當(dāng)下社會中的一個重要支柱產(chǎn)業(yè)。因為我國人口眾多，土地資源比較寶貴，因此需要合理應(yīng)用土地來實施建筑，其中高層建筑則使得土地資源可以高效利用，再加上計算機設(shè)計技術(shù)的普及，現(xiàn)代高層建筑發(fā)展越來越快。同時由于國內(nèi)外不斷加快的城市化建設(shè)進程，導(dǎo)致人口增多地價不斷上漲，高層建筑的發(fā)展成了必然趨勢。而高層建筑的設(shè)計人員需要全方面認(rèn)識高層建筑的結(jié)構(gòu)體系與特點，唯有如此，才可以讓建筑設(shè)計質(zhì)量得到保證。

2　關(guān)于高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計特點

2.1高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震要求比較高，其中延性是結(jié)構(gòu)設(shè)計重要的指標(biāo)

由于高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計不只需要考慮使用過程中豎向風(fēng)荷載與橫向風(fēng)荷載，還需要使建筑結(jié)構(gòu)具備較好的防震性，盡可能讓高層建筑物不會因為地震受到較大的影響。其中建筑結(jié)構(gòu)抗震的性能主要受耗散和能量吸收能力大小的影響，也就是直接受結(jié)構(gòu)延性大小影響。而延性主要表示結(jié)構(gòu)與構(gòu)件屈服以后，其承載力不會降低，并具備可塑性的能力。一般情況下通過μ系數(shù)衡量延性大小，而μ等于△u/△y，具體變化從圖1中可以看出。

圖1

2.2結(jié)構(gòu)的材料

通常為讓建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計具備較好防震性，相關(guān)設(shè)計者對建筑結(jié)構(gòu)體系與形式進行研究的過程中，還要充分了解施工材料抗震的性能，這就可以按照實際的情況，選擇經(jīng)濟適用以及能夠抗震的材料。同時選擇抗震結(jié)構(gòu)的材料過程中，需要高度重視抗震結(jié)構(gòu)的材料性能，其中要求包含以下幾個方面：延性的系數(shù)比較高、連接性要比較好以及將材料強度充分發(fā)揮出來等，根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)衡量可以得出，在高層建筑的建筑過程中不同材料抗震性也存在差異，具體次序是鋼結(jié)構(gòu)→型鋼的混凝土→鋼-混凝土混合的結(jié)構(gòu)→鋼筋的混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)→混凝土的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)→裝配鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)→配筋的砌體結(jié)構(gòu)。

2.3關(guān)于多道抗震的設(shè)防體系

關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中，不管選取什么樣的建筑材料，設(shè)置抗震防線都是必不可少的一個步驟。一般情況下每次地震發(fā)生時間都存在差異，地震發(fā)生時間如果較長，連續(xù)強脈沖就會在高層建筑中出現(xiàn)重復(fù)沖擊作用力，也就產(chǎn)生累積破壞。高層建筑結(jié)構(gòu)如果利用單結(jié)構(gòu)的體系，設(shè)置一道防震的防線，只要出現(xiàn)初次破壞，隨之出現(xiàn)的地震就容易造成建筑物的毀壞。因此高層建筑結(jié)構(gòu)只要設(shè)置多道防震的體系，即便第一道的防線毀壞，后面的各道防線也會保護建筑物[1]。

2.4布置結(jié)構(gòu)

在高層建筑的平面結(jié)構(gòu)布置過程中，需要對稱分布抗側(cè)力的體系，降低房屋重量并使得重量可以均勻的分布，這樣能夠有效降低地震扭轉(zhuǎn)的影響。此外，布置結(jié)構(gòu)主要是為了提升抗顛覆的能力與增強抗扭的剛度，因此需要高度重視較大抗側(cè)剛度芯筒與抗震墻具體位置，以免產(chǎn)生薄弱層，還要盡量將房屋重心降低。地震發(fā)生時，由于首道防線會受到破壞或者是先行屈服，這就需要首道防線構(gòu)成部分應(yīng)該在少負(fù)擔(dān)或者是不負(fù)擔(dān)豎向的荷載構(gòu)件，例如：筒體、填充墻與抗震墻等。純框架的結(jié)構(gòu)中，房梁要先于柱進行區(qū)服，也就是強柱弱梁的框架。其中建筑結(jié)構(gòu)變形與承載能力會因為構(gòu)件變形與承載能力發(fā)揮情況而受到影響，這就要求確保關(guān)鍵部位與構(gòu)件具備足夠延性水平與適當(dāng)強度。而平面設(shè)計上，需要提高復(fù)雜平面的各翼交接處、房屋周邊的轉(zhuǎn)角處與平面的突變處各個構(gòu)件的延性，而一些較為偏離的結(jié)構(gòu)，則要增強房屋周邊較弱構(gòu)件延性，具備多道防震防線抗側(cè)力的體系，需要將第一道的防線構(gòu)件延性提高，同一個構(gòu)件中，還要關(guān)注關(guān)鍵桿件延性的加強。

3　關(guān)于高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計措施

3.1延性和剛度要合理的匹配

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，政府已經(jīng)出臺了相關(guān)規(guī)范，由于高層建筑的高度較高與層數(shù)比較多，為了確保高層建筑的結(jié)構(gòu)具備必要剛度，需要嚴(yán)格控制層間的位移，也就是對剛度大小與構(gòu)件截面的大小相對指標(biāo)進行控制。此外高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性會受到抗側(cè)強度的影響，設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)比較柔還是比較剛，取決于設(shè)計人員，而場地卓越周期要和剛度決定結(jié)構(gòu)的自振周期相互避開，避免出現(xiàn)類共振的現(xiàn)象，致使建筑物倒塌與破壞。因為高層建筑在地震地面的運動反應(yīng)屬于動力的反應(yīng)，因此設(shè)計結(jié)構(gòu)體系與建筑時需要充分了解地震波頻譜成分和覆蓋層的厚度間動力效應(yīng)的關(guān)系、結(jié)構(gòu)體系基本的周期以及場地軟硬的程度，以免建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)二重類或是單重共振導(dǎo)致嚴(yán)重毀壞。

其中建筑的類共振毀壞問題過去在墨西哥已經(jīng)受到工程界重視，主要原因就是，墨西哥地勢低洼、土質(zhì)厚度大且比較松軟，場地的卓越周期比較長，周期范圍比較接近二十層高層建筑周期，也就導(dǎo)致嚴(yán)重的震害，因此設(shè)計建筑方案過程中，需要對卓越周期進行預(yù)估，然后調(diào)整結(jié)構(gòu)層數(shù)，選取適合結(jié)構(gòu)體系與類別，讓建筑基本周期可以有效避開場地卓越的周期。通常情況下，部分地區(qū)因為地質(zhì)比較好，其基巖深埋比較淺，加之高層建筑基本使用樁基礎(chǔ)實施建筑，建筑物具備一到兩層地下室，而持力層一般處于中間位置，地基特征的周期值比較小，在以上條件下，關(guān)于高層建筑抗側(cè)高度通常能設(shè)計得比較柔軟，通過結(jié)構(gòu)極限變形的能力來作為具體控制值。同時滿足變形限值前提下，高層建筑結(jié)構(gòu)剛度要控制在適當(dāng)范圍，這樣不僅可以降低地震的作用，還可以減小建筑物出現(xiàn)共振可能性，還能達(dá)到經(jīng)濟的目的。

從許多工程實踐中可以看出，硬場地上建設(shè)的建筑物能夠控制變形，既經(jīng)濟又安全。其中高層建筑結(jié)構(gòu)抗震能力一般通過變形能力與承載能力共同決定，建筑物承載能力低，一般延性結(jié)構(gòu)就會相對比較大，可以吸收較多能量，損壞雖然發(fā)生的比較早，但是可以經(jīng)受較大變形，不容易出現(xiàn)倒塌[2]。

3.2高層建筑結(jié)構(gòu)布置需要規(guī)則并簡單

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)布置要盡可能的簡單，結(jié)構(gòu)布置只有簡單才可以準(zhǔn)確分析位移、計算模型與內(nèi)力，薄弱部位出現(xiàn)閑置也比較容易把握，這樣高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能也相對可靠。同時建筑平面比較規(guī)則、均勻布置結(jié)構(gòu)。能夠有效預(yù)防薄弱子結(jié)構(gòu)的過早倒塌與破壞，能使地質(zhì)的作用重新分布在各個子結(jié)構(gòu)間，也就增加了結(jié)構(gòu)贅余度的數(shù)量，并充分發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)將地震作用耗散的作用。此外沿高層建筑的豎向，結(jié)構(gòu)與建筑造型基本都是均勻布置，以免出現(xiàn)傳力途徑、剛度與承載力突變現(xiàn)象，這樣也限制了結(jié)構(gòu)在部分樓層或者是特定樓層產(chǎn)生敏感薄弱的部位。平面布置建筑結(jié)構(gòu)過程中，盡可能保證抗側(cè)力的構(gòu)建均勻?qū)ΨQ布置，唯有如此才不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心存在偏離，進而規(guī)避地震過程中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)附加的破壞。

曾經(jīng)發(fā)生于南美洲的馬那瓜的地震，兩棟相鄰的高層建筑震害的差異性主要是因為抗側(cè)力沒有對稱的分布而導(dǎo)致附加震害典型的案例，而十五層中央銀行則是由于沒有對稱分布抗側(cè)力的構(gòu)件而出現(xiàn)倒塌，其中使用外框內(nèi)筒對稱結(jié)構(gòu)的十八層美洲銀行則只有輕微的破壞。此外日本阪神的地震過程中，因為沒有對稱布置的填充墻或者是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不對稱布置而導(dǎo)致附加結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞，且在臨街的建筑震害中比較嚴(yán)重，臨街建筑特點一般是沿街設(shè)置櫥窗，其背面是實體墻，因此房屋縱向質(zhì)量中心和剛度中心具有很大的偏離，這種使得建筑物在地震中容易倒塌。

4　結(jié)語

總而言之，設(shè)計高層建筑的結(jié)構(gòu)過程中，相關(guān)的設(shè)計人員需要充分運用與掌握概念設(shè)計，把高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計貫徹落實到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，整個設(shè)計過程中既要充分考慮各種因素，又要全方面把握設(shè)計大原則。只有這樣才可以確保設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)性與科學(xué)性，進而給社會創(chuàng)造高標(biāo)準(zhǔn)的工程。

[1]華穎.抗震概念設(shè)計在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].規(guī)劃與設(shè)計，2013，23（06）：27～28.

[2]張念華.抗震概念設(shè)計在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)，2014，34（02）：78～79.

TU973+.31

A

1673-0038（2015）30-0045-02

2015-6-20

馮嘯虎（1980-），男，工程師，本科，畢業(yè)于廣西大學(xué)，土木工程專業(yè)，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的工作。

廖建英（1979-），女，工程師，本科，畢業(yè)于重慶大學(xué)，土木工程專業(yè)，主要從事質(zhì)量體系管理方面的工作。